Artículo - SIGTE

III JORNADAS DE SIG LIBRE
Estructura del Servidor Interactivo de
Información Epidemiológica.
S. Rodríguez Fernández(1),(2), R. Fernández-Cuenca Gómez(4),(2), G. López-Abente
Ortega(3),(2) y R. Cano Portero(1),(2)
(1) Área de Datos Epidemiológicos, Centro Nacional de Epidemiología, Instituto de Salud
Carlos III, C/ Sinesio Delgado, 6, 28029 Madrid, srofer@isciii.es, rcano@isciii.es
(2) CIBER Epidemiología y Salud Pública (CIBERESP)
(3) Área de Epidemiología Ambiental y Cáncer, Centro Nacional de Epidemiología, Instituto de
Salud Carlos III, C/ Sinesio Delgado, 6, 28029 Madrid, glabente@isciii.es
(4) Área de Análisis Epidemiológico y Situación de Salud, Centro Nacional de Epidemiología,
Instituto de Salud Carlos III, C/ Sinesio Delgado, 6, 28029 Madrid, rfcuenca@isciii.es
RESUMEN
Los sistemas de software SIG Open Source implementados en servidores
Web se encuentran en una etapa de madurez, de forma que son en
muchos aspectos iguales o superiores a sus homónimos comerciales; su
sofisticación, solidez, estabilidad y manejabilidad facilitan la creación de
sistemas de información geográfica accesibles mediante Internet,
especializados en diferentes materias, entre ellas la investigación médica.
La vigilancia de la situación en salud sigue siendo la piedra angular de la
detección de amenazas para la población, que requieren medidas de salud
pública. La distribución de este tipo de información especializada es muy
útil tanto para apoyar posteriores estudios técnicos, como para cubrir las
necesidades de información de los potenciales usuarios. El Centro
Nacional de Epidemiología ha desarrollado el Servidor Interactivo de
Información Epidemiológica (SIIE), un SIG basado en WEB con tecnología
cliente-servidor. De esta forma, el usuario accede a través de Internet al
servidor Apache, soportado con Debian y programado en PHP, lo que
permite al usuario interactuar dinámicamente mediante el uso de
sentencias MySQL con la base de datos que contiene información de
salud referenciada espacialmente. El usuario tiene la posibilidad de
escoger el elemento que desea visualizar y la forma de visualizarlo, ya sea
en mapas proporcionados por MapServer o en diferentes tipos de gráficas
que facilita OWTChart, acompañados por sus tablas de datos. Con el
paquete estadístico R conseguimos la suavización de las tendencias
temporales.
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Se ha conseguido desarrollar una plataforma interactiva, de fácil acceso y
sencillo manejo, cuyo objetivo no es que los usuarios obtengan un mapa o
una gráfica, sino la respuesta a una pregunta formulada. Las principales
aplicaciones del SIIE radican en el ámbito de la investigación científica, la
educación sanitaria, como sistema generador de hipótesis y como
plataforma de información al público en general.
Palabras clave: SIG libre, servidor, MapServer, Debian, MySQL,
OWTChart, código abierto, cliente/servidor, información epidemiológica,
salud pública.
ABSTRACT
The GIS Open Source Software systems implemented in Webservers are
at a stage of maturity, sophistication, robustness, stability and
manageability, this makes it easy to create geographic information systems
to access through Internet, specializing in different subjects, including
medical research. Monitoring the health situation remains the cornerstone
of the detection of threats to the population, which require public health
measures. The distribution of specialized information is useful both to
support further technical studies, to meet the information needs of potential
users.
The National Epidemiology Center has developed the Epidemiological
Information Interactive Server (SIIE), a GIS Web-based with client/server
environment technology. This way, the user access through Internet to the
support for Apache server on Debian with PHP programs, which allows the
user to interact with dynamic content to MySQL databases thought the use
of MySQL sentences which containing spatially referenced of health
information. The user can choose the item that they want to display and
how to display it, in either maps provided by MapServer or in different types
of charts that facilitates OWTChart, all that accompanied by data tables.
With the statistical package R got the smoothing of time trends.
It has developed an interactive, accessible and easy operation, whose goal
isn’t to give to the users a map or a chart, but it gives the answer to a
question made. The main applications of SIIE are in the scientific research
field, health education, as a generating hypotheses system and as a
platform for take out information to general people.
Key words: openGIS, server, MapServer Debian, MySQL, OWTChart,
open source code, client/server, epidemiologic information, public
health.
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INTRODUCCIÓN
La identificación y evaluación de riesgos relacionados con la aparición de
enfermedades en la comunidad es un objetivo prioritario en la investigación de salud
pública y, más concretamente, en el Centro Nacional de Epidemiología (CNE). El
análisis espacial de la distribución de las enfermedades mediante la generación de
información geográfica es uno de los elementos más relevantes en la identificación de
problemas de salud pública.
El desarrollo del conocimiento científico está íntimamente ligado a la obtención de
datos fiables y de calidad. Habitualmente se almacena gran cantidad de información
de la cual se necesita extraer aquella que es útil. La creación de una herramienta que
aúne la accesibilidad a las fuentes de información y la metodología de análisis
potencia la capacidad de los grupos de investigación.
El CNE, perteneciente al Instituto de Salud Carlos III, puso en marcha en 2004 un
proyecto para el desarrollo de un Servidor Interactivo de Información Epidemiológica
(SIIE) [1], un Sistema de Información Geográfica (SIG) basado en WEB con
tecnología cliente-servidor que permite a los investigadores en salud pública y al resto
de usuarios descargar información espacio-temporal personalizada sobre tendencias,
así como la distribución geográfica de la mortalidad causadas por diversas patologías
[31]. Inicialmente, dicho proyecto se ideó para cubrir las necesidades del área de
epidemiología ambiental y cáncer pero en la actualidad el SIIE se ha extendido hasta
abarcar diversas áreas del CNE, como son; el área de análisis epidemiológico y
situación de salud, o el área de vigilancia de epidemiológica y las enfermedades
infectocontagiosas.
El objetivo para el que se ha creado el SIIE es facilitar información epidemiológica
de calidad, múltiple y variada, de una manera rápida, eficaz y adecuada a las
necesidades de cualquier usuario, que sirva de base para posteriores investigaciones
científicas, para informes técnicos o incluso como recurso docente, proporcionando un
valioso apoyo al ámbito de la salud pública.
El proyecto adopta como modelo el desarrollado por el departamento de vigilancia
de enfermedades on-line de la Agencia de Salud Pública de Canadá [3], tanto en su
ingenioso diseño como en las herramientas informáticas que se adoptaron en su
constitución. El servidor canadiense muestra datos sobre mortalidad de cáncer,
enfermedades cardiovasculares, enfermedades crónicas, enfermedades de
declaración obligatoria y vigilancia de lesiones. La Agencia de Salud Pública de
Canadá, que se engloba dentro del sistema de salud pública canadiense, trabaja con
médicos, técnicos de laboratorio, autoridades de salud pública y organizaciones
profesionales para mejorar los equipos médicos de primera línea [4].
El objetivo de este trabajo es presentar la estructura interna del SIIE, su desarrollo
con software libre y resaltar su importancia en el ámbito de la investigación en salud
pública en España y como fuente fiable de información para cualquier usuario
interesado en este campo.
MATERIAL Y MÉTODOS
Se ha constituido un sistema con una estructura lógica completamente integrada,
dotada de funciones que trabajan sincronizada y conjuntamente, de forma que sus
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aplicaciones y unidades funcionales están perfectamente comunicadas e interactúan
entre sí. Se trata de un un sistema de información dinámico, con aplicaciones hechas
a medida y que han sido desarrolladas con la estrecha colaboración de epidemiólogos
e informáticos.
Tanto las bases de datos como las aplicaciones del proyecto se han implementado
utilizando software de código abierto. Esta opción ha sido elegida por las ventajas que
aporta software libre, junto con su potencia, fiabilidad, facilidad tanto de manejo,
aprendizaje y adaptación, así como por la existencia de productos ya desarrollados y
probados en el ámbito sanitario.
Recursos de entorno
A continuación se exponen los componentes hardware, así como las herramientas
Software, utilizados para la instalación del servidor, que unidas proporcionan la
plataforma de soporte base de la aplicación desarrollada.
Herramientas de desarrollo
El SIIE es un Servidor LAMP que integra las tecnologías Linux, Apache, MySQL y
PHP, que constituye un paquete de software libre robusto, rápido de implementar,
sencillo de mantener y completamente gratis. El conjunto de subsistemas de software
necesarios para configurar ésta solución web y conseguir un servidor dinámico de
esfuerzo reducido son los siguientes:
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•
Debian 4.0 [5], actúa como núcleo. Se trata de un sistema operativo tipo
Linux/GNU que, habiendo heredado la robustez y confiabilidad de Unix, posee
las ventajas de ser portable, multitarea y multiusuario, lo que lo hace muy potente.
Funciona en la mayoría de las plataformas hardware con requerimientos mínimos
y tiene una gran capacidad para soportar cargas y aplicaciones con altísimos
niveles de exigencia.
Servidor http Apache 2.2.3 [6], posibilita los contenidos dinámicos, a la vez que
aporta al sistema estabilidad y velocidad de respuesta. Se trata de un servidor
web de código abierto que tiene las ventajas de ser modular, multi-plataforma,
extensible, además de tener un soporte para CGI (Common Gateway Interface),
que posibilita características extendidas como personalización de las variables de
entorno y soporte de reparación de errores o debugging.
Motor de bases de datos MySQL 5.0.32 [7], que interactúa eficazmente con el
sistema para la obtención de datos. Se trata de un Sistema de Gestión de Bases
de Datos (SGBD) relacional, multihilo y multiusuario. Brinda grandes posibilidades
al ser muy rápido, eficiente, estable y confiable.
Lenguaje de programación PHP 5.2.0 (Hypertext Preprocessor) [8] normal y devel,
utilizados del lado del servidor, a través de páginas web. Provee de interactividad
y dinamismo al SIIE.
Generador de gráficos OWTChart 1.0.4 [9], que produce los diferentes tipos de
gráficas en forma de imágenes GIF a partir de un conjunto de parámetros de
entrada. Es utilizado como un CGI en el entorno del servidor web, devolviendo la
imagen construida a partir de los parámetros encontrados en el QUERY_STRING
como parte de la URL. Se basa en la librería GDChart, que a su vez usa la librería
Boutell.com's GD (GifDraw) [10]. El motor de gráficas OWTChart ha sido
desarrollado parcialmente en virtud de un contrato con Ministerio de Salud de
Canadá como parte de su sistema Disease Surveillance On-Line project.
R [11], es un software de análisis estadístico de código abierto basado en el
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lenguaje S, desarrollado a principio de los años 90. El paquete estadístico R es
uno de los más flexibles, potentes y profesionales que existen actualmente para
realizar tareas estadísticas de todo tipo, desde las más elementales hasta las más
avanzadas. Su aplicación está especialmente recomendada en el campo de las
ciencias biomédicas. Cuenta, además, con la ventaja de ser gratuito y de descarga
e instalación sencillas.
En el sistema R es utilizado en el "back end" y enlazado mediante el paquete
CGIwithR [12], que permite utilizar este programa como un lenguaje de script CGI,
de forma que aplica la función lowess() sobre los resultados proporcionados por la
consulta, y realizar el suavizado de las tasas, consiguiendo mejorar las salidas de
las tendencias temporales.
MapServer 4.0.1 [13] genera los mapas interactivos provinciales, municipales y
por comunidades autónomas. Se trata de un entorno de desarrollo en código
abierto (Open Source Initiative) para la creación de aplicaciones SIG en
Internet/Intranet, con el fin de visualizar, consultar y analizar información
geográfica a través de la red mediante la tecnología Internet Map Server (IMS).
Soporta los formatos vectoriales ESRI shapefiles, PostGIS [31], ESRI ArcSDE
[31], GML [31] y otros muchos vía OGR [31], los formatos raster JPG[31], PNG
[31], GIF, TIFF/GeoTIFF [31] [31], EPPL7 [31] y otros vía GDAL, así como las
fuentes TrueType.
Mapserver está ampliamente documentado en la red; para una rápida introducción
a los principales conceptos que subyacen detrás de MapServer se puede acceder
a MapServer Tutorial [19]. Entre la gran cantidad de información accesible en
internet, está MapServer Recipes [15], que contiene ejemplos sencillos de algunas
tareas básicas con MapServer.
Funcionamiento de MapServer
Mapserver funciona como una aplicación CGI, instalada en el servidor http,
estableciendo la comunicación entre el servidor Web y el programa, de tal modo que
este último puede interactuar con Internet.
Los mapas son generados mediante la superposición y fusión de las capas de
información solicitada según las opciones seleccionadas en el formulario. Las librerías
instaladas le dan la capacidad de realizar diversas acciones sobre el mismo, como un
zoom sobre una zona.
El CGIde Mapserver utiliza los siguientes recursos:
El principal archivo en la configuración de MapServer es el archivo Mapfile[16], que
define los datos a ser usados en la aplicación, muestra y consulta de parámetros.
Incluye una serie de parámetros que definen las capas disponiblespara el mapa
interactivo, el estilo con que se mostrarán esas capas, su simbología, el formato
en que se generarán las imágenes, el sistema de referencia, tamaño de las
imágenes, entre otros. También contiene información acerca de cómo se debe
dibujar el mapa, la leyenda y el resultado de realizar una consulta, controlando la
forma en que las salidas de mapas y las leyendas de Mapserver se deben presentar
en la página html. Habitualmente lleva la extensión .map.
La extensión PHP/Mapscript [17] para PHP, que permite acceder a la API de
MapServer a través del framework de clases.
El Template File controla la aplicación de Mapserver en la ventana del browser,
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permitiendo definir la posición de presentación del mapa, la leyenda y determina que
vías son disponibles para que el usuario interactúe con Mapserver (browse, query,
zoom, etc.).
El archivo de inicialización se usa para enviar una consulta inicial al servidor http,
que retorna un resultado del servidor de mapas. Permite pasar una variedad de
parámetros a la aplicación como ocultos o hidden.
El CGIMapServer necesita para su funcionamiento un conjunto de Datos SIG.
Nuestra base de datos espacial está compuesta por archivos con formato shapefile.
El formato ESRI Shapefile (SHP) [19] es un formato vectorial de almacenamiento
digital de datos espaciales, de código abierto, donde se guarda la localización
de los elementos geográficos y los atributos asociados a ellos. Desarrollado por
la compañía ESRI, compañía que desarrolla y comercializa software para Sistemas
de Información Geográfica como ArcInfo o ArcGIS. Originalmente se creó para la
utilización con su producto ArcView GIS, pero actualmente se ha convertido en
formato estándar de facto para el intercambio de información geográfica entre SIGs
por la importancia que los productos ESRI tienen en el mercado SIG y por estar muy
bien documentado. [19]
Un shapefile es generado por varios archivos relacionados entre sí, con el mismo
nombre y las extensiones siguientes:
* .shp - es el archivo que almacena las entidades geométricas de los objetos.
* .shx - es el archivo que almacena el índice de las entidades geométricas.
* .dbf – es la base de datos o archivo que almacena la información de los
atributos de los objetos.
Para que todos los componentes interactúen correctamente entre sí y para ofrecer
salidas optimizadas, se han instalado varias librerías. De entre las diferentes librerías
para el manejo e intercambio de gráficos, cabe destacar la librería GDAL [20], que es
una biblioteca de acceso a datos raster que soporta multitud de formatos y es
multiplataforma.
La siguiente figura muestra, de manera gráfica y visual, los distintos componentes
del sistema y cómo interactúan entre ellos.
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Figura 1: Arquitectura del sistema.
Componentes hardware
Se trata de un sistema que tiene una alta escalabilidad, por lo que puede operar en
equipos de prestaciones modestas y, a partir de ahí, es posible migrarlo a
instalaciones superiores, sin pérdida de información ni de infraestructura.
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Ninguno de los componentes del sistema tienen altos requerimientos de hardware,
exceptuando el paquete estadístico R que, para trabajar con grandes masas de datos,
necesita que la capacidad de memoria sea como mínimo de 1 GB RAM. Para los
demás, es suficiente con satisfacer los requerimientos recomendados para instalar el
sistema operativo que se vaya a emplear, dependiendo de la máquina.
El desarrollo del sistema se ha implementado con un servidor Pentium IV de 1.7
MHz y 1 GB de RAM, con Debian 4.0. Es importante destacar que hubiera sido
posible dicho desarrollo con menos requisitos, como se puede comprobar en los
manuales de instalación de los paquetes mencionados. No obstante, teniendo en
cuenta que el sistema en producción proporciona servicio a un número relativamente
grande de usuarios concurrentes y, que tanto las gráficas como los mapas se crean
en tiempo real, los requerimientos mencionados anteriormente contribuirán a poder
trabajar de manera más cómoda y permitirán su expansión a las diversas áreas de
investigación integradas en el CNE.
Unidades funcionales
El SIIE consta actualmente de dos aplicaciones totalmente operativas, Ariadna y
Raziel, y una tercera aplicación, desarrollada aunque todavía no operativa, llamada
Ondina.
El sistema permite en todas ellas, además, la descarga de datos en tablas con
formato *.txt, ó *.xls y la extracción del material gráfico en formatos *.gif, *.png ó *.jpg,
para su aplicación en estudios posteriores.
Aplicación Ariadna
Esta aplicación genera mapas, gráficas y tablas de datos que muestran la
mortalidad por cáncer y otras causas desde el año 1975 hasta 2005, para 60 causas
de muerte, por sexo y provincia. Para la creación de la base de datos que es
consultada por la aplicación, se utilizó como fuente inicial de información los ficheros
de mortalidad del Instituto Nacional de Estadística (INE) [21].
Aplicación Raziel
Esta aplicación genera mapas, gráficas y tablas de datos que muestran las
diferencias en la mortalidad para 127 causas de muerte, por sexo, grupo de edad y
comunidad autónoma, desde el año 1980 hasta 2005. Para la creación de la base de
datos, también se utilizó como fuente inicial de información los ficheros de mortalidad
del INE [21].
Aplicación Ondina
Esta aplicación proporciona información sobre el número de casos incidentes, así
como sus tasas brutas de incidencia por 100.000 habitantes de enfermedades objeto
de vigilancia notificados al sistema de vigilancia epidemiológica. Los datos están
disponibles por provincias, comunidad autónoma y semana epidemiológica.
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Figura2: interfaz del web site
Calculo de las tasas
Para el cálculo de las tasas se han utilizado los denominadores poblacionales
correspondientes a la serie de años completa disponible en el Centro Nacional de
Epidemiología. Las referencias poblacionales utilizadas para ello son:
1971-1980: Evolución de la población de España entre los censos de 1970 y 1981,
Instituto Nacional Estadística.
1981-1990: Evolución de la población de España entre los censos de 1981 y 1991,
calculada por el Instituto Nacional Estadística.
1991-2001: Población calculada en el Centro Nacional de Epidemiología por método
de interpolación geométrica, tomando como años pivotales 1990 y 2002 de las
estimaciones del Instituto Nacional Estadística.
2002-2015: Proyecciones de población, calculadas por el Instituto Nacional
Estadística, a partir del Censo de 2001.
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CONCLUSIONES
La existencia de las especificaciones abiertas de diseño e implementación tales
como las definidas por el OGC, ha propiciado que algunos proyectos de desarrollos de
software libre hayan podido alcanzar un buen nivel de madurez y estén siendo
utilizados en múltiples organizaciones tanto públicas como privadas.
Con la puesta en marcha del SIIE en el CNE-ISCIII en 2004, y sus posteriores
ampliaciones, se ha conseguido desarrollar una plataforma interactiva, de fácil acceso
y manejo, cuyo objetivo no es que los usuarios obtengan un mapa o una gráfica, sino
la respuesta a una pregunta formulada. Su interfaz sencilla facilita el acceso a la
información básica en diferentes formatos de gráficos y tablas Las robustas
herramientas, de código abierto y gran estabilidad, son muy adecuadas para entornos
profesionales públicos y de investigación, reduciendo el tiempo de implementación y
su coste.
La puesta en marcha de un servidor interactivo que proporcione información
epidemiológica es un proyecto innovador en el campo de la investigación
epidemiológica por las técnicas de análisis, recuperación y representación de
información utilizadas. Su base de datos almacena información en una auténtica base
de conocimiento, relacionando los datos y estableciendo relaciones entre los mismos.
Supone un punto de encuentro de investigadores en el campo de la salud pública.
Desde su puesta en marcha el servidor se ha validado como sistema eficiente
por la gran difusión de sus contenidos. La gran innovación del sistema consiste en
poder “abrir” el conocimiento de la de la información del campo de la salud pública a
todos los usuarios interesados, que no tienen por qué ser necesariamente
especialistas, compartiendo informaciones útil.
Sus principales aplicaciones radican en el ámbito de la investigación, educación
sanitaria, como sistema generador de hipótesis y como plataforma de información al
público general. El acceso por Internet garantiza su difusión.
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto está financiado en parte el Centro de Investigación Biomédica en Red
de Epidemiología y Salud Pública (CIBERESP) y el Fondo de Investigación Sanitaria
(FIS), Expediente C03-09.
REFERENCIAS
http://www.isciii.es/htdocs/centros/epidemiologia/epi_servidores.jsp
http://dsol-smed.hc-sc.gc.ca/dsol-smed/
http://www.debian.org/
http://www.apache.org/
http://www.mysql.com/
http://www.php.net/
http://www.maptools.org/owtchart/
http://www.boutell.com/
http://www.r-project.org/
http://biometry.gis.umn.edu/tutorial/
http://www.mobilegeographics.com/mapserver/
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http://www.mapserver.org/mapfile/
http://www.mapserver.org/documentation.html
http://www.esri.com/library/whitepapers/pdfs/shapefile.pdf
http://www.esri-es.com/
http://www.gdal.org/
http://www.ine.es
http://www.opensource.org/
http://postgis.refractions.net/
http://www.esri.com/software/arcgis/arcsde/
http://www.opengis.net/gml/ GML http://www.gdal.org/ogr
http://www.jpeg.org/
http://www.libpng.org/pub/png/
http://partners.adobe.com/public/developer/tiff/index.html
TIFF/GeoTIFF
http://www.awaresystems.be/imaging/tiff.html
http://www.lmic.state.mn.us/EPPL7/EPPL7/index.html EPPL7
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